7.4 Виброформование

Формование с применением вибрации наиболее широко применяется при изготовлении бетонных и железобетонных изделий. Виброформование принципиально не отличается от формования литьем с использованием литых бетонных смесей. Вибрация служит средством придания формовочной массе необходимой текучести.

7.4.1 Основы виброреологии

По способности к течению среды, подвергающиеся вибрации, делятся на две группы.

К первой группе относятся среды, для которых возможно построение кривой течения в статических условиях.

Ко второй группе относятся среды, для которых кривая течения может быть построена лишь при вибрационном воздействии. К таким средам относятся твердообразные структурированные системы с большим пределом текучести, а также нереологические сыпучие системы.

Изотропное вибрационное воздействие, которое проявляется в относительном движении слоев структурированной среды, приводит к разрушению связей в структуре, снижению сил трения и сцепления, величины предела текучести. Все это создает условия для проявления текучести при более низких сдвиговых напряжениях. Однако течение при вибрации происходит только при ее анизотропном воздействии.

При заданной постоянной частоте и амплитуде вибрационного воздействия вязкость обрабатываемой структурированной системы не зависит от напряжения сдвига. С изменением амплитудно-частоной характеристики вибрации вязкость такой системы меняется так же, как и в статических условиях.

Вибрационная напряженность Р_в, необходимая для разрушения структуры твердообразной системы определяется из соотношения:

, (7.3)

где М_в – момент вибровозбудителя; ω – частота колебаний вибратора; S – поверхность соприкосновения рабочего органа вибратора с обрабатываемой средой; h – наибольшее расстояние точек среды до вибровозбудителя; γ – постоянная, определяемая по зоне распространения колебаний.

Разрушение структуры в статических условиях происходит, если велчина предельного напряжения сдвига находится в интервале между Р_т и Р_m. Такого же разрушения структуры при вибрации можно достичь, если параметры вибрации находятся в интервале:

(7.4)

откуда следует, что для полного разрушения структуры необходим переменный режим вибрационного воздействия. В данном случае понижение пластической вязкости происходит в результате вибрационного разрушения структуры.

7.4.2 Виброуплотнение

Процесс уплотнения состоит в такой укладке частиц смеси, при которой, как уже отмечалось, достигается максимальная относительная плотность. Различают естественное и искусственное уплотнение.

При естественном уплотнении случайные внешние воздействия нарушают равновесие между силами трения и сцепления частиц. На короткое время сила тяжести оказывается больше сил трения и сцепления. Двигаясь под действием силы тяжести, частицы стремятся занять положение с минимальной потенциальной энергией. При этом происходит перегруппировка частиц в более компактную систему, уменьшается объем системы, т.е. происходит ее уплотнение.

При искусственном уплотнении внешним воздействием стремятся снять силы трения и сцепления между частицами смеси и сгруппировать их таки образом, чтобы относительная плотность была максимальной. Каждая частица смеси, получив первоначальный внешний импульс, достаточный для преодоления сил трения и сцепления, должна получить дополнительный импульс для поддержания ее колебательного или хаотического движения. Только при выполнении этих условий будет происходить уплотнение смеси. Данный механизм уплотнения смеси является общепризнанным.

Миклашевский П.М. движение частиц вибрируемой смеси уподобляет движению точки, расположенной на наклонной плоскости. При таком допущении условие выбора ускорения вибратора имеет вид:

(7.5)

Куприянов Е.М. полагает, что для виброуплотнения необходимы вихри и турбулентные движения в смеси. Уплотнение статическим давлением по куприянову сопровождается только деформациями системы (упругими и пластическими). При вибрационном уплотнении происходят лишь конечные перемещения частиц без деформации системы.

Шмигальский В.Н., наоборот, считает, что деформационные процессы при уплотнении играют основную роль.

По Круглицкому Н.Н. статическое и динамическое уплотнение сопровождается конечными перемещениями частиц смеси и ее деформациями как непрерывной (сплошной) среды.

Каждая «физическая» точка смеси одновременно участвует в двух движениях:

• общем, представляющем смещение, которое соответствует непрерывным деформациям смеси как сплошного тела;

• относительном, представляющем смещение частичек как абсолютно твердого тела.

Механизм уплотнения по Лермиту близок к механизму уплотнения по Куприянову. При вибрации частицы смеси движутся подобно газу. Относительное движение частиц и пересечение их траекторий создают возможность обмена импульсами. При этом статическая равнодействующая препятствует внешнему давлению, собственному весу и силам сцепления частиц. Отсюда вытекает важный для практики вывод: если внешнее давление, оказываемое на вибрируемую смесь, больше статической равнодействующей, то эффекта от вибрации не будет.

Процесс уплотнения по Михайлову Н.В. состоит из двух периодов.

В первом периоде разрушается структура смеси и она превращается в вязкую жидкость. Степень разрушения структуры в каждый данный момент пропорциональна градиенту скорости, который возникает при относительном движении частиц.

Во втором периоде происходит самоуплотнение частиц. Осовдившись от связей, частицы под действием собственной силы тяжести занимают положение с минимальной потенциальной энергией, а смеь приобретает наибольшую плотность.

Действие вибрации на структурированные системы можно разбть на две фазы.

В первой фазе, длительностью τ₁, разрушаются структурные связи, вследствие чего понижается вязкость системы.

Во второй фазе частицы перемещаются в соответствии с внешним вибровоздействием в среде с пониженной вязкостью, что и облегчает уплотнение смеси. Длительность этой фазы τ₂ зависит от характера виброобработки. После преращения вибровоздействия свойства структурированной системы полностью восстанавливаются.

Вибрация характеризуется частотой (угловой скоростью) и амплитудой колебаний, однако эти параметры по отдельности не отражают интенсивности воздействия на формовочную массу. Эффективность тиксотропного разжижения формовочной массы различной исходной жесткости зависит от интенсивности вибрации и ее продолжительности.

Десов А.В. и Шмигальский В.н. предложили оценивать интенсивность вибрации И следующим соотношением:

(7.6)

Для большинства бетонных смесей, используемых в производстве сборного железобетона, интенсивность вибрации составляет от 80 до 300 см²/с³. Частиота и амплитуда колебаний должны быть согласованы таким образом, чтобы обеспечить при вибрировании незатухающие колебания.

Каждой смеси соответствует своя интенсивность вибрации, причем с увеличением жесткости смеси увеличивается и интенсивность вибрации. Для каждой смеси определенного гранулометрического состава и реологических свойств существует оптимальная интенсивность вибрации.

Продолжительность вибрирования зависит от интенсивности и жесткости смеси и может колебаться от нескольких секунд до 3-5 минут. С увеличением интенсивности продолжительность вибрации уменьшается и, наоборот, при уменьшении – увеличивается. Достичь одинаковой степени уплотнения при различных значениях интенсивности вибрации и продолжительности вибрирования возможно при соблюдении следующего условия:

, (7.7)

где к – величина, зависящая от консистенции смеси.

При назначении параметров вибрации (А и ω) учитывают зерновой состав смеси. Чем крупнее заполнитель и жестче смесь, тем больше оптимальное значение амплитуды колебаний. Для мелкозернистых смесей более эффективна вибрация при повышенной частоте и малой амплитуде колебаний.

Так как бетонные смеси состоят из частиц различных размеров, то для получения максимального эффекта от вибрации рекомендуется применять двух- или трехчастотное вибрирование. Поличастотное вибрирование обеспечивает более высокую однородность уплотненного изделия.

8. МЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ